地震作用下高架桥不同主梁的合理形式研究

地震作用下高架桥不同主梁的合理形式研究

（北京建筑工程学院，土木工程系，北京，100044）邮寄地址：北京市西城区展览馆路一号北京建筑工程学院联系电话要：以北京市某一典型的高架桥为例，对上部结构采用不同的主梁类型，对其在地震作用下进行了研究，分别采用钢箱梁，混凝土单梁和小箱梁三种类型对主梁结构进行模拟，并基于MIDAS有限元软件对三种不同结构形式的主梁结构的地震响应进行了分析，得到了三种结构类型下在撴底和墩顶以及盖梁下的结构响应值。分析表明钢箱梁抗侧移能力较好，小箱梁不易发生屈曲失稳，混凝土单梁相对效果较差。关键词：高架桥主梁地震作用MIDAS有限元软件1引言地震对桥梁结构的作用主要是在地震加速度的作用下，惯性力使结构发生破坏。最近国内外由于地震引起的城市高架桥梁的破坏屡见不鲜，如何选择最优的桥梁形式在桥梁设计中最为关键，本文以桥梁主梁的而不同结构形式为例，结合北京市一典型的城市高架桥，针对其上部不同的主梁结构形式，对地震作用下结构的地震响应进行比较，说明了主梁不同结构类型之间的差别，分析结果可供设计人员参考。［1］2工程概况北京市某高架桥全长约为8000m，全桥共263孔，标准跨径为30m，共185孔，最小跨径25m，最大跨径68m，主线高架桥标准横断面桥宽24.8m，为双向六车道，现在取本沿线高架桥部分地区的某一四跨混凝土连续梁桥进行研究，其跨径组合30+30+30+30m。主梁采用C50混凝土，采用10cm厚沥青混凝土的桥面铺装，防撞栏每道为9.5kN/m，共设三道。采用双柱合并式桥墩，桥墩为1.2×1.35m的实心钢筋混凝土截面，横向间距4.05米，采用C30混凝土。采用桩基础形式。墩的钢筋布置为长边8根直径25mm的HRB335钢筋，短边7根直径25mm的HRB335钢筋。箍筋为12mm的钢筋，箍筋间距：墩底塑性铰区域为0.1m，其他为0.2m。该区域的抗震烈度为8级，结构重要性系数为1.3，地震加速度峰值为0.2g，特征周期为0.35s，为II类场地，阻尼比为0.05，此桥为B类桥梁。3时程工况，有限元模型和地震波输入3.1时程工况和有限元模型本文根据选定典型连桥结构的特点建立结构动力特性和地震反应分析的有限元模型。上部主梁分别建立了三种不同类型的结构，分别为钢箱梁，混凝土单梁，小箱梁三种形式，主梁采用空间梁单元进行模拟，2-3m一个单元，下部结构桥墩采用梁单元模拟。支座采用普通板式橡胶支座（中墩采用GYZd800×148，边墩采用GJZ400×500×84）；撴底考虑桩基础的影响，将桩基础用梁单元进行模拟，土对桩的作用采用沿桩长均匀分布的集中小弹簧单元模拟，弹簧单元的参数参考了m法进行计算。时程工况，有限元单元模型如下：图1时程工况参数图2人工波一图1主梁为钢箱梁模型图2主梁为混凝土单梁模型图3主梁为小箱梁模型3.2地震波输入根据实际场地的反应谱进行人工合成地震波，最终地震反应结果取人工合成的7条波的平均值，图2为7条人工波中的一条：4不同主梁结构形式地震响应的比较为了比较主梁的不同结构形式对结构地震响应的影响，依据前述的桥梁算例，对三种不同结构类型进行结构地震动力响应的分析。4.1盖梁地震响应的比较根据图建立的动力分析模型，进行结构的时程分析，表1给出两种模型下墩柱的地震响应计算结果。剪力最大（KN）弯矩最大(kN*m)钢箱梁27825.6272058.97混凝土单梁47667.33138107.99小箱梁24558.14120774.2从表1可以看出：（1）当选择混凝土单梁时在同样的地震作用下响应最大，弯矩剪力都达到了最大值；（2）在同样的地震作用下小箱梁的剪力最小，但是弯矩比钢箱梁大；（3）在同样的地震作用下钢箱梁的弯矩最小，但是剪力比小箱梁略微大些。综上，从盖梁的地震响应情况来看，混凝土单梁无疑是最为危险的主梁结构形式，钢箱梁相对来说为最优选择。4.2墩柱地震响应的比较根据图建立的地震分析模型，进行结构的时程分析，表2和表3给出两种模型下墩柱的地震响应计算结果（包括墩顶和撴底的响应）。剪力最大(KN)弯矩最大(kN*m)轴力最大(KN)钢箱梁6525.0648230.938587.18混凝土单梁16862.5633489.4542218.75小箱梁44576.1246538.946122.58表2撴底结构地震响应剪力最大(KN)弯矩最大(kN*m)轴力最大(KN)钢箱梁6280.8940066.2737032.47混凝土单梁8788.2316314.7531463.2小箱梁43130.3538875.696154.74表3墩顶结构地震响应从表2和表3列出的墩柱结构响应可以看出：（1）在撴底：剪力，轴力最大为混凝土单梁，弯矩最大为钢箱梁。但是钢箱梁的剪力响应很小，很难发生侧移的现象，小箱梁的轴力非常小弯矩适中，因此不容易发生屈曲失稳。综上，钢箱梁和小箱梁都可算是比较优化的选择。（2）在墩顶，剪力最小为钢箱梁，轴力最小为小箱梁，和撴底的情况类似，但是小箱梁的剪力极大，极易发生侧移现象。5结论（1）对于本算例高架桥，我们可以发现，在三种不同结构形式的主梁下，地震的响应是不同的，而且有很大的差异性；（2）总体来说，钢箱梁的抗侧力最优